CN112410717A - 等离子体喷镀装置和等离子体喷镀方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种等离子体喷镀装置和等离子体喷镀方法。提供能够控制等离子体射流的形状的技术。本公开的一技术方案的等离子体喷镀装置具备：供给部，其利用第1气体运送喷镀材料的粉末，并从顶端部的开口喷射该粉末；等离子体生成部，其使用喷射出的所述第1气体生成芯轴与所述供给部共通的等离子体；气体流路，其向所述等离子体的生成空间供给第2气体，该第2气体用于形成以所述供给部的中心轴线为旋转轴线的涡流；以及磁场产生部，其在所述等离子体的生成空间相对于所述供给部的中心轴线产生期望的分布的磁场。
Description
技术领域
本公开涉及等离子体喷镀装置和等离子体喷镀方法。
背景技术
公知有如下的等离子体喷镀：使喷镀所使用的颗粒的粉末利用由高速的气体形成的等离子体射流的热而熔融并且朝向基材的表面喷出，而在基材的表面形成覆膜(例如，参照专利文献1～4)。
专利文献1：日本特开平6-325895号公报
专利文献2：日本特开平8-225916号公报
专利文献3：日本专利第5799153号说明书
专利文献4：日本特开2014-172696号公报
发明内容
发明要解决的问题
本公开提供能够控制等离子体射流的形状的技术。
用于解决问题的方案
本公开的一技术方案的等离子体喷镀装置具备：供给部，其利用第1气体运送喷镀材料的粉末，并从顶端部的开口喷射该粉末；等离子体生成部，其使用喷射出的所述第1气体生成芯轴与所述供给部共通的等离子体；气体流路，其向所述等离子体的生成空间供给第2气体，该第2气体用于形成以所述供给部的中心轴线为旋转轴线的涡流；以及磁场产生部，其在所述等离子体的生成空间相对于所述供给部的中心轴线产生期望的分布的磁场。
发明的效果
根据本公开，能够控制等离子体射流的形状。
附图说明
图1是表示等离子体喷镀装置的整体结构例的图。
图2是表示等离子体喷镀装置的磁场产生部的一例的图。
图3是表示等离子体喷镀装置的磁场产生部的另一例的图。
图4是表示等离子体喷镀装置的磁场产生部的再一例的图。
图5是用于说明形成涡流的Ar+自磁场受到的力的图(1)。
图6是用于说明形成涡流的Ar+自磁场受到的力的图(2)。
图7是用于说明形成涡流的Ar+自磁场受到的力的图(3)。
图8是表示磁场分布的模拟结果的图(1)。
图9是表示磁场分布的模拟结果的图(2)。
图10是表示磁场分布的模拟结果的图(3)。
图11是表示等离子体喷镀方法的一例的流程图。
图12是表示等离子体射流的形状和喷镀膜的成膜量的评价结果的图。
图13是表示阳极-阴极间电压的评价结果的图。
具体实施方式
以下，参照所附的附图对本公开的非限定性的例示的实施方式进行说明。在所附的所有附图中，对相同或相对应的构件或零部件标注相同或相对应的附图标记，并省略重复说明。
〔等离子体喷镀装置〕
图1是表示等离子体喷镀装置1的整体结构例的图。如图1所示，等离子体喷镀装置1为如下的装置：从喷嘴11的顶端部的开口11b喷射喷镀材料的粉末(powder)(以下称作“喷镀用粉末R1”)，使喷镀材料的粉末利用由高速的气体形成的等离子体射流P的热而熔融并且朝向基材W的表面喷出，而在基材W的表面形成覆膜F1。
等离子体喷镀装置1包括：供给部10、控制部30、气体供给部40、等离子体生成部60以及磁场产生部80。
供给部10具有喷嘴11和给料器20，利用等离子体生成气体运送喷镀用粉末R1，并从顶端部的开口11b喷射该喷镀用粉末R1。喷镀用粉末R1的粒径是例如1μm～10μm。
给料器20用于向喷嘴11供给喷镀用粉末R1。喷镀用粉末R1收纳于给料器20内的容器21。喷镀用粉末R1可以是例如铜(Cu)、锂(Li)、铁(Fe)、铝(Al)、镍(Ni)、钼(Mo)等金属的微粉末。此外，喷镀用粉末R1也可以是聚酯等树脂的微粉末。此外，喷镀用粉末R1还可以是氧化铝(Al2O3)、氧化锆(ZrO2)、莫来石(Al6O13Si2)、尖晶石(MgAl2O4)等陶瓷或这些陶瓷的复合材料的微粉末。
在给料器20设有致动器22。喷嘴11为棒状的环状构件，在其内部形成有运送喷镀用粉末R1的流路11a。喷嘴11的流路11a和容器21内连通，利用致动器22的动力将喷镀用粉末R1从容器21投入流路11a内。
等离子体生成气体与喷镀用粉末R1一起作为第1气体向喷嘴11供给。等离子体生成气体是用于生成等离子体的气体。此外，等离子体生成气体也作为在流路11a中运送喷镀用粉末R1的载气而发挥功能。气体供给部40从气体供给源41供给等离子体生成气体。利用阀46和质量流量控制器(MFC)44对等离子体生成气体进行流量控制，并使等离子体生成气体经由管42向流路11a供给。作为等离子体生成气体，能够利用例如氩气(Ar)、氮气(N2)、氢气(He)或这些气体的混合气体。以下，列举利用Ar气体来作为等离子体生成气体的情况为例而进行说明。
喷嘴11具有如下构造：贯穿等离子体生成部60的主体部12且其顶端部向等离子体生成空间U突出。喷镀用粉末R1被等离子体生成气体搬运至喷嘴11的顶端部，与等离子体生成气体一起从顶端部的开口11b向等离子体生成空间U喷射。
主体部12由树脂材料形成。主体部12在中央部具有贯通口12a。喷嘴11的前方部分11c插入于主体部12的贯通口12a。喷嘴11的前方部分11c与直流电源50连接，也作为从直流电源50施加电流的电极(阴极)而发挥功能。喷嘴11由金属形成。
等离子体生成空间U是由主体部12的凹部12b和伸出部12d形成的空间，喷嘴11的顶端部向等离子体生成空间U突出。伸出部12d的一端与设于主体部12的外壁的金属板12c连结。金属板12c与直流电源50连接。由此，金属板12c和伸出部12d作为电极(阳极)而发挥功能。
由此，喷嘴11的顶端部和伸出部12d的另一端作为阴极和阳极的电极而发挥功能，而发生放电。由此，从喷嘴11喷射出的Ar气体发生电离，在等离子体生成空间U生成等离子体。
此外，Ar气体作为第2气体以呈涡流的方式向等离子体生成空间U供给。从气体供给源41供给Ar气体，并利用阀46和质量流量控制器(MFC)45对Ar气体进行流量控制，使Ar气体经由作为气体流路的管43在主体部12内流动，而自横向向等离子体生成空间U供给Ar气体。由此，在等离子体生成空间U形成以供给部10的中心轴线O为旋转轴线的涡流。
在图1中，仅图示出一个向等离子体生成空间U导入的Ar气体的供给流路，但在主体部12设有多个供给流路。由此，Ar气体自多个供给流路沿横向以呈涡流的方式向等离子体生成空间U供给。由此，防止生成的等离子体的扩散，使等离子体射流P向直线偏向。由此，等离子体生成部60使用自喷嘴11的顶端部喷射出的等离子体生成气体来生成芯轴与喷嘴11共通的等离子体射流P。另外，在一实施方式中“芯轴共通”指的是供给部10(喷嘴11)的中心轴线O和等离子体射流P的吹送方向的中心轴线一致或大致在相同方向上一致。
对于该等离子体喷镀装置1，供给部10使喷镀用粉末R1和Ar气体在形成于喷嘴11的内部的流路11a中直行，并自顶端部的开口11b向等离子体生成空间U喷射。喷射出的喷镀用粉末R1利用由高速的Ar气体形成的等离子体射流P的热而熔融并且朝向基材W的表面喷出，而在基材W的表面形成由喷镀形成的覆膜F1。此时，可以一边使基材W移动一边进行喷镀，也可以一边使喷嘴11移动一边进行喷镀。在一边使基材W移动一边进行喷镀的情况下，例如能够一边使载置有基材W的台(未图示)在水平方向上移动一边进行喷镀。在一边使喷嘴11移动一边进行喷镀的情况下，例如能够将供给部10固定于可在水平方向上移动的臂(多关节臂)，而一边利用臂使供给部10在水平方向上移动一边进行喷镀。
在等离子体生成空间U的外周部设有在等离子体生成空间U产生磁场的磁场产生部80。磁场产生部80例如配置在比作为阴极而发挥功能的喷嘴11的前方部分11c靠下方的位置。磁场产生部80在等离子体生成空间U相对于供给部10的中心轴线O产生期望的分布的磁场。优选的是，期望的分布的磁场包括沿着中心轴线O在喷嘴11的顶端部的下方在大致垂直方向(Z方向)上形成的磁场的分布。其中，期望的分布的磁场不限定于此，例如既可以包括以相对于中心轴线O具有规定的角度的方式在喷嘴11的顶端部的下方形成的磁场的分布，也可以包括以相对于中心轴线O呈扇状或锥状的方式在喷嘴11的顶端部的下方形成的磁场的分布。
磁场产生部80例如具有以供给部10的中心轴线O为中心的圆环状(环状)的永磁体。永磁体既可以固定于主体部12，也可以在供给部10的中心轴线O的方向上移动自如。此外，永磁体既可以是一个，也可以是多个。在永磁体为多个的情况下，例如在供给部10的中心轴线O的方向上空开间隔地配置多个。此外，磁场产生部80也可以具有电磁体，该电磁体包括以供给部10的中心轴线O为中心的线圈。电磁体既可以是一个，也可以是多个。在电磁体为多个的情况下，例如在供给部10的中心轴线O的方向上空开间隔地配置多个。而且，磁场产生部80也可以具有以供给部10的中心轴线O为中心的一个或多个圆环状的永磁体和包括以供给部10的中心轴线O为中心的线圈的一个或多个电磁体。另外，磁场产生部80的详情见后述。
在主体部12的内部形成有制冷剂流路72。自冷却单元70供给来的制冷剂依次经由阀74、制冷剂管71、制冷剂流路72、制冷剂管73以及阀75进行循环，并返回至冷却单元70。由此，主体部12被冷却，能够防止主体部12因等离子体的热而成为高温。此外，利用设于阀74和制冷剂管71之间的流量计(FM)76，使主体部12的温度控制为一定。
在等离子体喷镀装置1设有例如包括计算机的控制部30。控制部30具备包括程序、存储器、CPU的信息处理部。在程序中编入有命令，以从控制部30向等离子体喷镀装置1的各部分发送控制信号，来执行等离子体喷镀。利用该控制信号来控制气体供给源41、给料器20(致动器22)、直流电源50以及冷却单元70等的动作，进行在基材W的表面形成覆膜F1的处理。程序被存储在计算机存储介质，例如软盘、光盘、硬盘、MO(磁光盘)、存储卡等存储介质，并加载到控制部30。
〔磁场产生部〕
图2是表示等离子体喷镀装置1的磁场产生部80的一例的图。如图2所示，磁场产生部80具有以供给部10的中心轴线O为中心的圆环状的永磁体81a、81b、81c。
永磁体81a、81b、81c在等离子体生成空间U的外周部在供给部10的中心轴线O的方向(图2的Z方向)上空开间隔地配置。永磁体81a、81b、81c例如设于主体部12的内部。永磁体81a、81b、81c在等离子体生成空间U产生与供给部10的中心轴线O平行的磁场。永磁体81a、81b、81c可以全部是相同磁力的磁体，也可以是不同磁力的磁体，根据在等离子体生成空间U产生的期望的磁场来选择。永磁体81a、81b、81c例如是钕磁体。
另外，在图2的例中，示出了永磁体81a、81b、81c设于主体部12的内部的情况，但永磁体81a、81b、81c的配置不限定于此。例如，也可以是，永磁体81a、81b、81c中的至少一者配置在比主体部12的伸出部12d靠下方的位置。在该情况下，能够利用配置在比主体部12的伸出部12d靠下方的位置的永磁体，在等离子体生成空间U的下方的空间也产生与供给部10的中心轴线O平行的磁场。
图3是表示等离子体喷镀装置1的磁场产生部80的另一例的图。如图3所示，磁场产生部80具有以供给部10的中心轴线O为中心的永磁体82a～82e和使永磁体82a～82e沿着供给部10的中心轴线O升降(移动)的升降机构82f。
永磁体82a～82e在等离子体生成空间U的外周部在供给部10的中心轴线O的方向(图3的Z方向)上空开间隔地配置。永磁体82a～82e是可动式，在供给部10的中心轴线O的方向上移动自如。由此，能够控制在等离子体生成空间U产生的与供给部10的中心轴线O平行的磁场的长度。例如，如图3的(a)所示，使永磁体82a～82e的间隔变窄，从而使与供给部10的中心轴线O平行的磁通线的长度变短，但由于磁力增强，因此能够产生细且密度高的等离子体射流P。另一方面，例如如图3的(b)所示，若使永磁体82a～82e的间隔变宽，则磁力减弱，但由于与供给部10的中心轴线O平行的磁通线的长度变长，因此能够产生长且稳定的等离子体射流P。永磁体82a～82e例如是钕磁体。
升降机构82f使永磁体82a～82e沿着供给部10的中心轴线O升降。升降机构82f例如固定于设在主体部12的外壁的金属板12c。升降机构82f例如由控制部30控制。升降机构82f例如包括电动机。
图4是表示等离子体喷镀装置1的磁场产生部80的再一例的图。如图4所示，磁场产生部80具有电磁体83a、83b、83c。
电磁体83a、83b、83c分别包括以供给部10的中心轴线O为中心的线圈83a1、83b1、83c1、可变电源83a2、83b2、83c2以及配线83a3、83b3、83c3。
线圈83a1、83b1、83c1在等离子体生成空间U的外周部在供给部10的中心轴线O的方向(图4的Z方向)上空开间隔地配置。线圈83a1、83b1、83c1例如设于主体部12的内部。线圈83a1、83b1、83c1通过通电而在等离子体生成空间U产生与供给部10的中心轴线O平行的磁场。
另外，在图4的例中，示出了线圈83a1、83b1、83c1设于主体部12的内部的情况，但线圈83a1、83b1、83c1的配置不限定于此。例如，也可以是，线圈83a1、83b1、83c1中的至少一者配置在比主体部12的伸出部12d靠下方的位置。在该情况下，利用配置在比主体部12的伸出部12d靠下方的位置的线圈，能够在等离子体生成空间U的下方的空间也产生与供给部10的中心轴线O平行的磁场。
可变电源83a2、83b2、83c2使电流分别经由配线83a3、83b3、83c3流向线圈83a1、83b1、83c1。利用可变电源83a2、83b2、83c2调整流向线圈83a1、83b1、83c1的电流的值和朝向，从而能够控制在等离子体生成空间U产生的与供给部10的中心轴线O平行的磁场的分布。可变电源83a2、83b2、83c2例如由控制部30控制。
配线83a3、83b3、83c3分别与线圈83a1、83b1、83c1以及可变电源83a2、83b2、83c2电连接。
〔等离子体射流形状的控制〕
图5是用于说明形成涡流的氩离子(Ar+)自磁场受到的力的图，示出相对于供给部10的中心轴线O的一侧的磁通线、涡流的朝向以及Ar+自磁场受到的力的朝向。图6和图7是用于说明形成涡流的Ar+自磁场受到的力的图，示出在从喷镀用粉末R1的喷射方向上的上游侧观察等离子体生成空间U时的磁场B的朝向、涡流的朝向和Ar+自磁场受到的力F的朝向。
首先，如图5所示，考虑如下情况：将以供给部10(喷嘴11)的中心轴线O为中心的圆环状的永磁体M1、M2以如下方式配置，该方式为：在中心轴线O的方向上空开间隔且将喷镀用粉末R1的喷射方向上的上游侧设为S极、下游侧设为N极。更具体地说，将永磁体M1在等离子体生成空间U的外周部且在与喷嘴11的顶端部的开口11b大致相同高度的位置以如下方式配置，该方式为：将供给部10的中心轴线O作为中心并将喷镀用粉末R1的喷射方向上的上游侧设为S极、下游侧设为N极。另外，将永磁体M2在等离子体生成空间U的外周部且在比喷嘴11的顶端部的开口11b靠下方的位置以如下方式配置，该方式为：将供给部10的中心轴线O作为中心并将喷镀用粉末R1的喷射方向上的上游侧设为S极、下游侧设为N极。
在该情况下，等离子体生成空间U处的磁通线Mf(磁场B)的朝向成为沿着供给部10的中心轴线O从喷镀用粉末R1的喷射方向上的下游侧朝向上游侧的方向(图中的-Z方向)。在等离子体生成空间U处的磁通线Mf的朝向是从喷镀用粉末R1的喷射方向上的下游侧朝向上游侧的方向的情况下，如图5和图6所示，包含于朝向喷镀用粉末R1的喷射方向右旋的涡流(以下称为“右涡流”)的Ar+因磁场B而受到靠近供给部10的中心轴线O的方向的力F。由此，Ar+向靠近中心轴线O的方向移动。因此，等离子体射流P的形状成为在Z方向上细长地伸展的形状，喷镀用粉末R1经过的供给部10的中心轴线O附近的等离子体密度较高。其结果，向喷镀用粉末R1的热输入效率提高，喷镀膜的成膜效率和膜质提高。此外，由于等离子体远离主体部12的内壁，因此抑制由等离子体造成的主体部12的损伤，延长主体部12的寿命。
另一方面，考虑如下情况：将图5的永磁体M1、M2的N极和S极置换配置。更具体地说，将永磁体M1在等离子体生成空间U的外周部且在与喷嘴11的顶端部的开口11b大致相同高度的位置以如下方式配置，该方式为：将供给部10的中心轴线O作为中心并将喷镀用粉末R1的喷射方向上的上游侧设为N极、下游侧设为S极。另外，将永磁体M2在等离子体生成空间U的外周部且在比喷嘴11的顶端部的开口11b靠下方的位置以如下方式配置，该方式为：将供给部10的中心轴线O作为中心并将喷镀用粉末R1的喷射方向上的上游侧设为N极、下游侧设为S极。
在该情况下，等离子体生成空间U处的磁通线Mf(磁场B)的朝向成为沿着供给部10的中心轴线O从喷镀用粉末R1的喷射方向上的上游侧朝向下游侧的方向(图中的+Z方向)。在等离子体生成空间U处的磁通线Mf的朝向是从喷镀用粉末R1的喷射方向上的上游侧朝向下游侧的方向的情况下，如图7所示，包含于右涡流的Ar+因磁场B而受到远离供给部10的中心轴线O的方向的力F。由此，Ar+向远离中心轴线O的方向移动。其结果，等离子体射流P的形状变粗，在被喷镀的面处的截面分布变宽，喷镀膜的面内均匀性提高。
如以上所说明的那样，通过置换永磁体M1、M2的N极和S极的配置而变更磁通线Mf的朝向，从而能够控制等离子体射流P的形状。
另外，在图5～图7的例中，说明了置换永磁体M1、M2的N极和S极的配置而变更磁通线的朝向从而控制等离子体射流P的形状的情况，但本公开不限定于此。例如，也可以变更永磁体M1、M2的磁力从而控制等离子体射流P的形状。此外，例如也可以变更永磁体的个数从而控制等离子体射流P的形状。此外，例如还可以利用电磁体代替永磁体M1、M2来变更磁通线的朝向，从而控制等离子体射流P的形状。
此外，在图5～图7的例中，说明了形成朝向喷镀用粉末R1的喷射方向右旋的涡流的情况，但本公开不限定于此。例如，也可以形成朝向喷镀用粉末R1的喷射方向左旋的涡流(以下称为“左涡流”)。在该情况下，在等离子体生成空间U处的磁通线Mf的朝向是从喷镀用粉末R1的喷射方向上的下游侧朝向上游侧的方向的情况下，包含于左涡流的Ar+受到远离供给部10的中心轴线O的方向的力，向远离中心轴线O的方向移动。另一方面，在等离子体生成空间U处的磁通线Mf的朝向是从喷镀用粉末R1的喷射方向上的上游侧朝向下游侧的方向的情况下，包含于左涡流的Ar+受到靠近供给部10的中心轴线O的方向的力，向靠近中心轴线O的方向移动。
〔磁体配置和磁场〕
图8～图10是表示磁场分布的模拟结果的图，示出相对于供给部10的中心轴线O的一侧的磁通线的分布。
在图8示出在将三个圆环状的永磁体M1～M3在等离子体生成空间U的外周部以如下方式配置的情况下的磁通线Mf的分布的模拟结果，该方式为将供给部10的中心轴线O作为中心并将喷镀用粉末R1的喷射方向上的上游侧设为N极、下游侧设为S极。在图8的例中，永磁体M1、M2、M3分别配置在等离子体生成空间U的处于高度方向上的上部位置、中间位置和下部位置的外周部。另外，上部位置是与喷嘴11的顶端部大致相同高度的位置，中间位置是等离子体生成空间U的高度方向上的大致中间的位置，下部位置是与主体部12的下端大致相同高度的位置。
如图8所示，由永磁体M1～M3形成的磁通线Mf成为在如下范围沿着中心轴线O的朝向，该范围为：从等离子体生成空间U的高度方向上的上部位置至等离子体生成空间U的下方。由此，磁场在永磁体M1～M3的半径方向上作用于在等离子体生成空间U处形成涡流的Ar+，因此，Ar+向靠近中心轴线O的方向或向远离中心轴线O的方向移动。具体地说，例如在利用导入至等离子体生成空间U的Ar气体在等离子体生成空间U形成右涡流的情况下，Ar+向远离中心轴线O的方向移动。因此，等离子体射流P的形状变粗，在被喷镀的面处的断面分布变宽，喷镀膜的面内均匀性提高。另一方面，例如在利用导入至等离子体生成空间U的Ar气体在等离子体生成空间U形成左涡流的情况下，Ar+向靠近中心轴线O的方向移动。因此，等离子体射流P的形状成为在Z方向上细长地伸展的形状，喷镀用粉末R1经过的供给部10的中心轴线O附近的等离子体密度增高。其结果，向喷镀用粉末R1的热输入效率提高，喷镀膜的成膜效率和膜质提高。
在图9示出在将两个圆环状的永磁体M2、M3在等离子体生成空间U的外周部以如下方式配置的情况下的磁通线Mf的分布的模拟结果，该方式为：将供给部10的中心轴线O作为中心并将喷镀用粉末R1的喷射方向上的上游侧设为N极、下游侧设为S极。在图9的例中，永磁体M2、M3分别配置在等离子体生成空间U的处于高度方向上的中间位置和下部位置的外周部。
如图9所示，由永磁体M2、M3形成的磁通线Mf成为在如下范围沿着中心轴线O的朝向，该范围为：从等离子体生成空间U的高度方向上的中间位置至等离子体生成空间U的下方。由此，磁场在永磁体M2、M3的半径方向上作用于在等离子体生成空间U处形成涡流的Ar+，因此Ar+向靠近中心轴线O的方向或向远离中心轴线O的方向移动。具体地说，例如在利用导入至等离子体生成空间U的Ar气体在等离子体生成空间U形成右涡流的情况下，Ar+向远离中心轴线O的方向移动。因此，等离子体射流P的形状变粗，在被喷镀的面处的断面分布变宽，喷镀膜的面内均匀性提高。另一方面，例如在利用导入至等离子体生成空间U的Ar气体在等离子体生成空间U形成左涡流的情况下，Ar+向靠近中心轴线O的方向移动。因此，等离子体射流P的形状成为在Z方向上细长地伸展的形状，喷镀用粉末R1经过的供给部10的中心轴线O附近的等离子体密度增高。其结果，向喷镀用粉末R1的热输入效率提高，喷镀膜的成膜效率和膜质提高。
在图10示出在将两个圆环状的永磁体M1、M2在等离子体生成空间U的外周部以如下方式配置的情况下的磁通线Mf的分布的模拟结果，该方式为：将供给部10的中心轴线O作为中心并将喷镀用粉末R1的喷射方向上的上游侧设为N极、下游侧设为S极。在图10的例中，永磁体M1、M2分别配置在等离子体生成空间U的处于高度方向上的上部位置和中间位置的外周部。
如图10所示，由永磁体M1、M2形成的磁通线Mf成为在如下范围沿着中心轴线O的朝向，该范围为：从等离子体生成空间U的高度方向上的上部位置至等离子体生成空间U的中间位置。由此，磁场在永磁体M2、M3的半径方向上作用于在等离子体生成空间U处形成涡流的Ar+，因此Ar+向靠近中心轴线O的方向或向远离中心轴线O的方向移动。具体地说，例如在利用导入至等离子体生成空间U的Ar气体在等离子体生成空间U形成右涡流的情况下，Ar+向远离中心轴线O的方向移动。因此，等离子体射流P的形状变粗，在被喷镀的面处的断面分布变宽，喷镀膜的面内均匀性提高。另一方面，例如在利用导入至等离子体生成空间U的Ar气体在等离子体生成空间U形成左涡流的情况下，Ar+向靠近中心轴线O的方向移动。因此，等离子体射流P的形状成为在Z方向上细长地伸展的形状，喷镀用粉末R1经过的供给部10的中心轴线O附近的等离子体密度增高。其结果，向喷镀用粉末R1的热输入效率提高，喷镀膜的成膜效率和膜质提高。
以上，如使用图8～图10进行了说明的那样，通过变更永磁体的数量和永磁体相对于等离子体生成空间U的配置，从而使等离子体生成空间U处的磁场的分布变化。由此，包含于涡流的Ar+自永磁体的磁场受到的力变化，等离子体射流P的形状变化。例如，通过配置三个永磁体M1、M2、M3，从而与配置两个永磁体M2、M3或两个永磁体M1、M2相比，与供给部10的中心轴线O平行的磁通线Mf的长度变长，而能够形成长且稳定的等离子体射流P。
〔等离子体喷镀方法〕
图11是表示等离子体喷镀装置1的等离子体喷镀方法的一例的流程图。图11所示的等离子体喷镀方法的处理由控制部30执行。
在开始图11所示的等离子体喷镀方法时，控制部30控制气体供给源41，使Ar气体向供给部10和等离子体生成空间U导入(步骤S1)。由此，在流路11a形成运送喷镀用粉末R1的流动并且在等离子体生成空间U形成涡流。
接着，控制部30控制直流电源50，对等离子体生成部60的电极施加电流，而生成等离子体(步骤S2)。由此，在等离子体生成空间U生成Ar气体的等离子体射流P。此外，控制部30从给料器20向喷嘴11供给喷镀用粉末R1(步骤S3)，执行利用喷镀进行的成膜(步骤S4)。由此，使喷镀用粉末R1利用等离子体射流P的热而熔融并且朝向基材W的表面喷出，通过向基材W的表面喷镀形成覆膜F1。此时，在等离子体生成空间U，利用磁场产生部80施加与供给部10的中心轴线O平行的磁场，使等离子体射流P的形状相对于不施加磁场的情况变化。
接着，控制部30判定是否结束喷镀(步骤S5)。控制部30在判定出结束喷镀的情况下结束处理。另一方面，控制部30在判定出不结束喷镀的情况下，返回步骤S4，而继续进行成膜。
根据以上所说明的等离子体喷镀方法，在执行利用喷镀进行的成膜的期间，利用磁场产生部80在等离子体生成空间U施加与供给部10的中心轴线O平行的磁场。由此，能够使等离子体射流P的形状变化。此外，在磁场产生部80包括可动式的永磁体的情况下，在利用喷镀进行的成膜的中途改变永磁体的位置，从而能够在利用喷镀进行的成膜的中途使等离子体射流P的形状变化。此外，在磁场产生部80包括电磁体的情况下，通过在利用喷镀进行的成膜的中途改变磁场的朝向、磁力，从而能够在利用喷镀进行的成膜的中途使等离子体射流P的形状变化。
〔等离子体射流形状和喷镀膜的成膜量〕
图12是表示等离子体射流P的形状和喷镀膜的成膜量的评价结果的图，示出在以喷镀条件A、B、C、D、E实施了等离子体喷镀时的喷镀膜的成膜量[g/Pass]和等离子体射流P的形状的观察结果。另外，成膜量[g/Pass]指的是一边使基材W以规定的速度在水平方向上往复移动一边进行等离子体喷镀时的每一次的喷镀膜的成膜量。此外，在图12中，在喷镀条件A、B、C、D、E下，分别以等离子体射流PA、PB、PC、PD、PE表示从喷嘴11喷射的等离子体射流P。此外，将等离子体射流PA、PB、PC、PD、PE区分表示为具有第1亮度的第1明部PA1、PB1、PC1、PD1、PE1和具有第2亮度的第2明部PA2、PB2、PC2、PD2、PE2。第2亮度是比第1亮度暗的亮度。
喷镀条件A是不在等离子体生成空间U施加磁场的条件。
喷镀条件B是分别将永磁体M1、M2在等离子体生成空间U的高度方向上的上部位置和中间位置以如下方式配置而在等离子体生成空间U施加磁场的条件，该方式为：将喷镀用粉末R1的喷射方向上的上游侧设为S极、下游侧设为N极。在喷镀条件B下，在等离子体生成空间U，施加相对于喷镀用粉末R1的喷射方向相反方向的磁场。
喷镀条件C是分别将永磁体M2、M3在等离子体生成空间U的高度方向上的中间位置和下部位置以如下方式配置而在等离子体生成空间U施加磁场的条件，该方式为：将喷镀用粉末R1的喷射方向上的上游侧设为S极、下游侧设为N极。在喷镀条件C下，在等离子体生成空间U，施加相对于喷镀用粉末R1的喷射方向相反方向的磁场。
喷镀条件D是分别将永磁体M1、M2、M3在等离子体生成空间U的高度方向上的上部位置、中间位置和下部位置以如下方式配置而在等离子体生成空间U施加磁场的条件，该方式为：将喷镀用粉末R1的喷射方向上的上游侧设为S极、下游侧设为N极。在喷镀条件D下，施加相对于喷镀用粉末R1的喷射方向相反方向的磁场。
喷镀条件E是分别将永磁体M1、M2、M3在等离子体生成空间U的高度方向上的上部位置、中间位置和下部位置以如下方式配置而在等离子体生成空间U施加磁场的条件，该方式为：将喷镀用粉末R1的喷射方向上的上游侧设为N极、下游侧设为S极。在喷镀条件E下，在等离子体生成空间U，施加与喷镀用粉末R1的喷射方向相同方向的磁场。
另外，在喷镀条件A～E下，通过向等离子体生成空间U供给Ar气体，从而在等离子体生成空间U朝向喷镀用粉末R1的喷射方向形成了右涡流。
如图12所示，可知喷镀条件B、C、D下的第1明部PB1、PC1、PD1的长度LB1、LC1、LD1比喷镀条件A下的第1明部PA1的长度LA1长。另一方面，可知喷镀条件E下的第1明部PE1的长度LE1与喷镀条件A下的第1明部PA1的长度LA1大致相同。此外，可知喷镀条件B、C、D下的第2明部PB2、PC2、PD2的长度LB2、LC2、LD2比喷镀条件A下的第2明部PA2的长度LA2长。另一方面，可知喷镀条件E下的第2明部PE2的长度LE2与喷镀条件A下的第2明部PA2的长度LA2大致相同。从上述的结果来说，以喷镀条件B、C、D实施等离子体喷镀，从而与以喷镀条件A实施等离子体喷镀相比较，能够形成细长形状的等离子体射流PB、PC、PD。即，可以说通过在等离子体生成空间U形成右涡流，且施加相对于喷镀用粉末R1的喷射方向相反方向的磁场，从而能够形成细长地伸展的形状的等离子体射流P。
特别是，喷镀条件D下的第1明部PD1的长度LD1和第2明部PD2的长度LD2比喷镀条件B、C下的第1明部PB1、PC1的长度LB1、LC1和第2明部PB2、PC2的长度LB2、LC2长。从上述的结果来说，以喷镀条件D实施等离子体喷镀，从而与以喷镀条件B、C实施等离子体喷镀相比，能够形成细长形状的等离子体射流PD。即，可以说通过在等离子体生成空间U形成右涡流，且在等离子体生成空间U的从上部位置至下部位置的范围施加相对于喷镀用粉末R1的喷射方向相反方向的磁场，从而能够形成更细长地伸展的形状的等离子体射流P。
此外，如图12所示，在喷镀条件D下喷镀膜的成膜量为0.0063g/Pass。与此相对，在喷镀条件A下喷镀膜的成膜量为0.0035g/Pass，在喷镀条件B、C下喷镀膜的成膜量为0.0036g/Pass，在喷镀条件E下喷镀膜的成膜量为0.0039g/Pass。从上述的结果来说，通过在等离子体生成空间U形成右涡流，且在等离子体生成空间U的从上部位置至下部位置的范围施加相对于喷镀用粉末R1的喷射方向相反方向的磁场，从而能够增加每一次的喷镀膜的成膜量。即，可以说能够提高喷镀膜的成膜效率。
〔阳极-阴极间电压〕
图13是表示阳极-阴极间电压的评价结果的图，示出在以上述的喷镀条件A、D、E实施了等离子体喷镀时的阳极-阴极间电压。在图13中，横轴表示时间[min]，纵轴表示阳极-阴极间电压[V]。
如图13所示，喷镀条件D下的阳极-阴极间电压比喷镀条件A下的阳极-阴极间电压高。从该结果能够想到，通过在等离子体生成空间U形成右涡流，且在等离子体生成空间U的从上部位置至下部位置的范围施加相对于喷镀用粉末R1的喷射方向相反方向的磁场，向喷镀用粉末R1的热输入量增加。另一方面，喷镀条件E下的阳极-阴极间电压比喷镀条件A下的阳极-阴极间电压低。从该结果能够想到，当在等离子体生成空间U形成右涡流且在等离子体生成空间U的从上部位置至下部位置的范围施加与喷镀用粉末R1的喷射方向相同方向的磁场时，向喷镀用粉末R1的热输入量减少。
本次公开的实施方式在所有的方面均应视为例示且并非制限性的。上述的实施方式在不脱离权利要求书和其主旨的前提下，可以以各种各样的形态进行省略、置换、变更。
例如，利用一实施方式的等离子体喷镀装置1，能够进行去除在阳极堆积的膜的清洁。具体地说，可以在进行等离子体喷镀时，调整在电磁体的线圈流动的电流的值和朝向来控制磁场的朝向、磁力，使包含于等离子体中的Ar+向远离中心轴线O的方向移动，从而与作为阳极而发挥功能的伸出部12d碰撞。由此，能够利用由与作为阳极而发挥功能的伸出部12d碰撞的Ar+产生的溅射效果来去除在作为阳极而发挥功能的伸出部12d堆积的膜(清洁)。此外，膜的去除也可以在不向喷嘴11供给喷镀用粉末R1的状态下进行。
Claims (22)
1.一种等离子体喷镀装置，其中，
该等离子体喷镀装置具备：
供给部，其利用第1气体运送喷镀材料的粉末，并从顶端部的开口喷射该粉末；
等离子体生成部，其使用喷射出的所述第1气体生成芯轴与所述供给部共通的等离子体；
气体流路，其向所述等离子体的生成空间供给第2气体，该第2气体用于形成以所述供给部的中心轴线为旋转轴线的涡流；以及
磁场产生部，其在所述等离子体的生成空间相对于所述供给部的中心轴线产生期望的分布的磁场。
2.根据权利要求1所述的等离子体喷镀装置，其中，
所述磁场产生部产生与所述中心轴线平行的磁场。
3.根据权利要求1或2所述的等离子体喷镀装置，其中，
所述磁场产生部具有以所述中心轴线为中心的圆环状的永磁体。
4.根据权利要求3所述的等离子体喷镀装置，其中，
所述永磁体在所述中心轴线的方向上空开间隔地配置有多个。
5.根据权利要求3或4所述的等离子体喷镀装置，其中，
所述永磁体在所述中心轴线的方向上移动自如。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的等离子体喷镀装置，其中，
所述磁场产生部具有电磁体，该电磁体包括以所述中心轴线为中心的线圈。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的等离子体喷镀装置，其中，
所述气体流路形成朝向所述粉末的喷射方向右旋的涡流，
所述磁场产生部产生相对于所述粉末的喷射方向相反方向的磁场。
8.根据权利要求1～6中任一项所述的等离子体喷镀装置，其中，
所述气体流路形成朝向所述粉末的喷射方向左旋的涡流，
所述磁场产生部产生与所述粉末的喷射方向相同方向的磁场。
9.根据权利要求1～8中任一项所述的等离子体喷镀装置，其中，
所述供给部喷射粒径为1μm～10μm的喷镀用粉末。
10.一种等离子体喷镀装置，其中，
该等离子体喷镀装置具备：
供给部，其利用第1气体运送喷镀材料的粉末，并从顶端部的开口喷射该粉末；
等离子体生成部，其使用喷射出的所述第1气体生成芯轴与所述供给部共通的等离子体；
气体流路，其向所述等离子体的生成空间供给第2气体，该第2气体用于形成以所述供给部的中心轴线为旋转轴线的涡流；以及
磁场产生部，其具有以所述供给部的中心轴线为中心的圆环状的永磁体。
11.根据权利要求10所述的等离子体喷镀装置，其中，
所述磁场产生部产生与所述中心轴线平行的磁场。
12.根据权利要求10或11所述的等离子体喷镀装置，其中，
所述永磁体在所述中心轴线的方向上空开间隔地配置有多个。
13.根据权利要求10～12中任一项所述的等离子体喷镀装置，其中，
所述永磁体在所述中心轴线的方向上移动自如。
14.根据权利要求10～13中任一项所述的等离子体喷镀装置，其中，
所述气体流路形成朝向所述粉末的喷射方向右旋的涡流，
所述磁场产生部产生相对于所述粉末的喷射方向相反方向的磁场。
15.根据权利要求10～13中任一项所述的等离子体喷镀装置，其中，
所述气体流路形成朝向所述粉末的喷射方向左旋的涡流，
所述磁场产生部产生与所述粉末的喷射方向相同方向的磁场。
16.根据权利要求10～15中任一项所述的等离子体喷镀装置，其中，
所述供给部喷射粒径为1μm～10μm的喷镀用粉末。
17.一种等离子体喷镀装置，其中，
该等离子体喷镀装置具备：
供给部，其利用第1气体运送喷镀材料的粉末，并从顶端部的开口喷射该粉末；
等离子体生成部，其使用喷射出的所述第1气体生成芯轴与所述供给部共通的等离子体；
气体流路，其向所述等离子体的生成空间供给第2气体，该第2气体用于形成以所述供给部的中心轴线为旋转轴线的涡流；以及
磁场产生部，其具有电磁体，该电磁体包括以所述供给部的中心轴线为中心的线圈。
18.根据权利要求17所述的等离子体喷镀装置，其中，
所述磁场产生部产生与所述中心轴线平行的磁场。
19.根据权利要求17或18所述的等离子体喷镀装置，其中，
所述气体流路形成朝向所述粉末的喷射方向右旋的涡流，
所述磁场产生部产生相对于所述粉末的喷射方向相反方向的磁场。
20.根据权利要求17或18所述的等离子体喷镀装置，其中，
所述气体流路形成朝向所述粉末的喷射方向左旋的涡流，
所述磁场产生部产生与所述粉末的喷射方向相同方向的磁场。
21.根据权利要求17～20中任一项所述的等离子体喷镀装置，其中，
所述供给部喷射粒径为1μm～10μm的喷镀用粉末。
22.一种等离子体喷镀方法，其中，
该等离子体喷镀方法具有：
在供给部利用第1气体运送喷镀材料的粉末，并从所述供给部的顶端部的开口喷射该粉末的步骤；
使用喷射出的所述第1气体生成芯轴与所述供给部共通的等离子体的步骤；
向所述等离子体的生成空间供给第2气体的步骤，该第2气体用于形成以所述供给部的中心轴线为旋转轴线的涡流；以及
在所述等离子体的生成空间相对于所述供给部的中心轴线产生期望的分布的磁场的步骤。
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